СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2024 года по МПК C02F1/64 C02F1/28 B01J20/20 

Изобретение относится к области адсорбционной техники и может быть использовано для очистки природных и сточных вод, приоритетным загрязнителем которых являются ионы железа.

Известен способ очистки природных вод от ионов железа (RU №2151105 С1), который включает предварительное аэрирование исходной воды и фильтрование через многофункциональную фильтрующую загрузку из нескольких слоев следующих фильтрующих материалов: гранитный щебень, торф, древесная кора, гравий и песок, причем объемное соотношение последовательно расположенных слоев составляет 1:2:3:2:1 при общей высоте фильтрующей загрузки 0,8-1,2 м. Предпочтительно между слоями торфа и древесной коры дополнительно ввести слой гранитного щебня в объеме, равном объему первого слоя. Достоинством данного способа является использование природных материалов. Недостатками этого способа являются применение технологии аэрации, которая является трудоемкой, требует затрат электроэнергии и расхода O₂, низкая степень очистки воды, небольшая динамическая сорбционная емкость, многостадийность способа, неутилизируемые отходы отработанного сорбента.

Известен способ (RU №2790716 С1) очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, в том числе от двух и трехвалентного железа, включающий обработку сточных вод известковым молоком, содержащим известняк и негашеную известь, отличающийся тем, что содержание известняка и негашеной извести в известковом молоке составляет 3,3 мас.% при соотношении известняк: негашеная известь равном 1:10, при этом на стадии гашения извести и изготовления известкового молока в емкости с жидкостью с помощью нагнетаемого потока внешнего атмосферного воздуха вводят углекислый газ в виде фоновой примеси в количестве, избыточном для протекания реакций образования нерастворимых солей металлов, а именно их основных карбонатов, затем поток направляется в пруды-отстойники на осветление, в которых осуществляют подкисление вод до значения рН 8 за счет естественного поглощения углекислого газа из атмосферы через открытую поверхность прудков, затем отводят очищенную воду. Недостатками данного способа являются многостадийность процесса очистки и применение сжиженного углекислого газа, находящегося при нормальных условиях в баллонах под давлением более 50 атмосфер. Оба эти обстоятельства делают практически невозможной реализацию предложенного способа в промышленных масштабах при больших расходах воды. Кроме того, к недостаткам также можно отнести расходы на приготовление и покупку реагентов, образование неутилизируемых отходов.

Известен способ очистки вод с применением сорбционно-фильтрующего материала (RU №2411059), включающий фильтрацию воды через отходы производства терморасширенного графита, расположенные слоями в порядке чередования с внешними слоями из отходов полиакрилонитрильного волокна.

Недостатками данного способа являются ограниченное применение в связи с необходимостью наличия производства терморасширенного графита и полиакрилонитрильного волокна, образование неутилизируемых осадков, низкая степень очитки по ионам железа. Нельзя использовать в водоподготовки в связи с требованиями СанПиН-1.2.3685-21.

Известен способ очистки шахтных вод от железа (RU №2411193 С2). Для осуществления очистки в обрабатываемую воду одновременно вводят пероксид водорода и кальцинированную соду, причем водный раствор пероксида водорода добавляют в эквимолярном количестве по отношению к концентрации железа, а кальцинированную соду добавляют в эквимолярном количестве для достижения нейтрального уровня рН среды. При этом содержащееся в воде железо образует смесь труднорастворимых соединений Fe(OH)₃, FeSO₄(OH), Fe₂O₃⋅nH₂O, которые быстро коагулируют, выпадают в осадок и могут быть успешно удалены даже без фильтрации. Происходящее снижение рН воды компенсируется добавлением в нее кальцинированной соды (Na₂CO₃).

Недостатки: трудоемкий, расходы на реагенты, повышенные требования к технике безопасности в связи с применением пероксида водорода, необходимость оборудования для подачи фиксированного количества пероксида и автоматизации управления рН средой. Наличие неутилизируемых отходов.

Способ получения модифицированного активного угля (RU №2276099 С1) включает 3 стадии. Первая стадия - обработка активного угля водным раствором s-капролактама в статических условиях в течение 12-24 часов; вторая - фильтрование, сушка и прогревание при температуре 250°С в атмосфере воздуха; третья - карбонизация при нагревании угля до 900°С в токе инертного газа (аргона или азота). Способ обеспечивает повышение сорбционной емкости угля по отношению к ионам тяжелых металлов. Недостатками являются многостадийность, длительность обработки, повышенные расходы электроэнергии на двухстадийное нагревание (250 и 900°С) сорбентов, расход инертного газа, и не предлагается способ утилизации отработанного сорбента.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки воды от ионов железа на активном угле, обработанном перманганатом калия (SU №60086 A1). Недостатком способа является расход реагентов для предварительного снижения жесткости воды и регенерации отработанных сорбентов; отсутствует способ утилизации отработанного сорбента, который накапливается в шламоотвалах и наносит вред окружающей природе, что приводит к снижению экологических показателей региона

Задачей настоящего изобретения является повышение сорбционной емкости углеродных сорбентов при очистке природных и сточных вод от ионов железа, снижение стадий обработки сорбента при модифицировании, повышение экологической безопасности технологии очистки вод за счет возможности утилизации отработанного сорбента.

Поставленная задача достигается пропусканием воды через слой фильтрующего материала, который получают модифицированием исходного коммерческого сорбента – Пуролата с целью повышения адсорбционной емкости по ионам железа. В качестве реагентного модификатора используют аланин, содержащий два потенциальных центра адсорбции - карбоксильную и аминогруппы.

Исходный углеродный сорбент Пуролат, представляющий собой полукокс, в течение суток выдерживали в 5% растворе аланина, отмывали от возможных остатков модификатора путем фильтрования. Подготовленный сорбент в течение трех часов выдерживали в термостатируемом шкафу при температуре 250°С. Маркировка полученных модифицированных образцов - ПМ, исходных немодифицированных - П.

Для всех исследуемых образцов были определены технические и физико-химические характеристики (табл. 1). Суммарный объем пор по воде (размер 0.5-10000 нм) определялся по ГОСТ 17219-71. Суммарное содержание кислотных и основных групп оценивалось в статических условиях по реакции обмена с растворами HCl и NaOH.

Исследование процесса адсорбции ионов железа (II) проводилось в условиях равновесия на модельных растворах при температуре 25°С. Соотношение навески углеродного сорбента к объему исследуемого раствора составило 1:100. Концентрацию железа (II) определяли методом абсолютной калибровки спектрофотометрическим методом при длине волны 400 нм, основанном на образовании окрашенных комплексов железа с сульфосалициловой кислотой.

Изотермы адсорбции ионов железа (II) образцами углеродных сорбентов представлены на фиг. 1, где Г - адсорбция, Ср - равновесная концентрация ионов железа (II).

Анализ полученных изотерм показал, что предварительная посадка аланина с последующей термической обработкой резко увеличивает адсорбцию железа.

Согласно экспериментальным данным (фиг. 1) и проведенным расчетам (таблица 2), изменение предельной адсорбции железа (Г_max) для модифицированных образцов ПМ Г_max увеличивается в 3,5 раза. Величина энергии Гиббса адсорбции (ΔG) позволяет предположить, что процесс адсорбции на исследуемых образцах протекает самопроизвольно за счет устойчивого закрепления ионов железа на поверхности углеродных сорбентов. Изменение параметров адсорбции, рассчитанных по уравнению Фрейндлиха (k_F), показывает аналогичные закономерности.

Помимо того, что полученный по предлагаемому способу сорбент обладает повышенной адсорбцией по ионам железа (II), отработанный полученный сорбент, представляющий собой полукокс, может быть отправлен на утилизацию в качестве вторичного сырья для получения товарной продукции в коксохимическом производстве. Полукокс на металлургических предприятиях используется как источник углерода, а также как заменитель коксового орешка в производстве ферросплавов. В то время как по другим распространенным способам водоочистки обычно отработанный сорбент утилизируют методом захоронения.

Для сравнения с Пуролатом как полукоксом взят чаще других используемый в нашем регионе буроугольный полукокс (БПК) Березовского месторождения. Преимуществами полукокса Пуролата перед БПК, используемого в металлургическом производстве, являются:

- зольность ниже в 2,7 раза;

- пористость выше на 20%.

Таким образом, анализируя приведенные выше характеристики и значения, можно утверждать, что достигается технический результат - получение углеродных сорбентов повышенной сорбционной емкости при очистке природных и сточных вод от ионов железа при минимальном наборе стадий модификации исходного сырья, а также повышение экологической безопасности технологии очистки вод за счет возможности утилизации отработанного сорбента.

Изобретение относится к способам очистки поверхностных и сточных вод от ионов железа. Способ очистки воды от ионов железа заключается в пропускании воды через слой углеродного модифицированного сорбента. В качестве углеродного сорбента используют Пуролат, представляющий собой полукокс, который предварительно модифицируют в течение суток выдерживанием его в 5% растворе аланина. Далее сорбент отмывают от возможных остатков модификатора путем фильтрования и в течение трех часов выдерживают в термостатируемом шкафу при температуре 250°С. Обеспечивается повышение сорбционной емкости углеродных сорбентов при очистке природных и сточных вод от ионов железа, снижение стадий обработки сорбента при модифицировании, повышение экологической безопасности технологии очистки вод за счет возможности утилизации отработанного сорбента. 1 ил., 3 табл.

Способ очистки воды от ионов железа, включающий использование углеродного модифицированного сорбента, отличающийся тем, что в качестве углеродного сорбента применяют Пуролат, представляющий собой полукокс, который в течение суток выдерживают в 5% растворе аланина, отмывают от возможных остатков модификатора путем фильтрования, далее сорбент в течение трех часов выдерживают в термостатируемом шкафу при температуре 250°С.